Введение к работе
Актуальность работы
Современное общество заинтересовано в увеличении добычи нефти и газа. И хотя бурение нефтяных и газовых скважин связано c большими техническими трудностями, еще большую проблему составляет непосредственно добыча-наиболее полное извлечение нефти и газа.
Гидравлический разрыв пласта и применение расклинивающих агентов (керамических проппантов) существенно увеличивает производительность и экономическую эффективность работы газовых и нефтяных скважин.
Проппанты должны обладать прочностью и твердостью достаточными для того, чтобы поддерживать трещину в открытом состоянии, а также иметь низкую плотность. Низкая плотность проппанта позволяет использовать жидкость гидроразрыва с меньшей вязкостью. Это приводит к снижению стоимости операции гидроразрыва и увеличению производительности скважины, т.к. жидкость с меньшей вязкостью легче удаляется из трещины. Легковесные проппанты применяются также в качестве фильтров в процессе добычи нефти и газа.
Кроме того, что потенциальный материал, используемый для изготовления проппанта, должен соответствовать техническим требованиям по плотности, прочности и химической стойкости, он также должен быть широко распространен и доступен. Наиболее используемым сырьем для производства проппантов в настоящее время являются пески, каолины и бокситы. Кристаллической основой большинства видов проппантов является муллит (3Al2O3.2SiO2), обладающий игольчатой формой, что способствует армированию структуры и сдерживает хрупкое разрушение материала. Однако многие виды алюмосиликатных проппантов не удовлетворяют современным требованиям из-за высокой плотности.
Возможными путями решения задачи получения прочных проппантов с низкой плотностью являются введение в состав сырой керамической матрицы неорганических волокон или использование керамических материалов малой плотности с синтезируемой в процессе обжига волокнисто-игольчатой структурой. Такими материалами могут быть бораты алюминия, имеющие муллитоподобную структуру.
В связи с этим исследования, направленные на получение прочных и легких материалов для производства проппантов на основе боратов алюминия с использованием природного сырья, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.
Результаты исследований, положенные в основу диссертационной работы, получены в рамках госбюджетных работ кафедры технологии силикатов и наноматериалов национального исследовательского Томского политехнического университета и плановых работ в Технологической Компании Шлюмберже, г. Новосибирск.
Объект исследования
Бораты алюминия и проппанты на их основе.
Предмет исследования
Физико-химические процессы формирования фазового состава, структуры и свойств проппантов из керамики на основе обожженного боксита и бората алюминия.
Цель работы
Разработка составов и технологии изготовления легковесных проппантов на основе природного алюмосиликатного сырья.
Научная новизна
-
Установлено формирование муллитоподобной фазы 9Al2O32B2O3 при обжиге при температурах от 1100 до 1350С масс на основе природного боксита и оксида бора при молярном соотношении Al2O3 к B2O3 от 9:1 до 9:3, что позволяет получать легкие проппанты высокой прочности.
-
Установлено, что введение добавки волластонита в состав масс на основе боксита приводит к увеличению прочности керамики с 133 до 300 МПа при температуре обжига 1450С за счет армирующего действия игольчатых кристаллов волластонита. Оптимальным количеством добавки волластонита для получения проппантов является 5 мас.%.
-
Установлено, что увеличению количества выхода бората алюминия и формированию кристаллов игольчатой формы способствует введение добавок оксидов щелочноземельных металлов и 3d-переходных элементов. Наибольшее влияние оказывает CaO, увеличивающий выход бората алюминия на 15%.
-
Установлено, что при получении проппантов модификация структуры добавками целесообразна на первой стадии процесса производства изделий. Введение минерализаторов в уже сформировавшуюся на этапе предварительного обжига структуру бората алюминия не оказывает положительного влияния на формирование игольчатой структуры. Двухстадийная технология повышает прочность керамики на 20 – 45 %.
Практическая ценность работы
Разработаны составы и предложены технологические режимы получения легких керамических проппантов с кристаллической фазой бората алюминия из природного высокоглиноземистого сырья.
Предложено использовать минерализующие добавки оксидов щелочноземельных металлов и 3d-переходных элементов, обеспечивающие получение легкого проппанта с насыпной плотностью не более 1,1 г/см3 , способного выдержать давление закрытия трещины до 28 МПа.
Предложено применение легких проппантов из керамики на основе бората алюминия из природного высокоглиноземистого сырья в качестве фильтра в процессе добычи и транспортировки нефтепродуктов.
Личный вклад
Автор внес определяющий вклад в постановку задач, выбор направлений и методов исследований, анализ и интерпретацию полученных результатов. Основная часть экспериментальной работы была выполнена лично автором.
Реализация результатов работы
Легковесный керамический проппант, изготовленный по разработанной технологии, прошел техническую сертификацию в лаборатории контроля качества проппантов, применяемых для гидроразрыва пласта, в Технологической Компании Шлюмберже, г. Новосибирск.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2011г.); XII и XIII всероссийской научно-практической конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2011г., 2012 г.), ХХ Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011г.), XII Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» (г. Пенза, 2011г.).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах рекомендованных ВАК, 1 патент, 4 заявки на международные патенты.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 115 наименований; содержит 135 страниц машинописного текста и включает 35 рисунков, 22 таблицы и 3 приложения.
